第4章 高頻功率放大器(2)課件

第4章高頻功率放大器與功率合成技術(shù)4.2.2高頻功率放大器的狀態(tài)分析1.諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析2.諧振功率放大器的三種工作狀態(tài)3.Rp、Vcc、Ubm、UBB變化對(duì)工作狀態(tài)的影響作業(yè)：4.4、4.21.諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗Rp、激勵(lì)電壓vb、供電電壓VCC、VBB等4個(gè)參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個(gè)參量的變化會(huì)使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。如果VCC、VBB、vb3個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻Rp決定。此時(shí)，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。4.2.2諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析當(dāng)放大器工作于諧振狀態(tài)時(shí)，它的外部電路關(guān)系式為uBE=–VBB+Vbmcost

uCE=VCC–Vcmcost消去cost可得，uBE=–VBB+Vbm另一方面，晶體管的折線化方程為ic=G(uBE–VBZ)得出在ic–uCE坐標(biāo)平面上的動(dòng)態(tài)特性曲線(負(fù)載線或工作路)方程：（4.3.19）=gd(uCE–V0)負(fù)載線的斜率為，截距為圖中示出動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率為負(fù)值，它的物理意義是：從負(fù)載方面看來，放大器相當(dāng)于一個(gè)負(fù)電阻，亦即它相當(dāng)于交流電能發(fā)生器，可以輸出電能至負(fù)載。用類似的方法，可得出在ic–uBE坐標(biāo)平面的動(dòng)態(tài)特性曲線。電壓、電流隨負(fù)載變化波形令uCE=VCC，為圖中Q點(diǎn)（ic為負(fù)值），再令ic=0時(shí)，為圖中的C點(diǎn)。icic321Im0180°＜90°半導(dǎo)通角wtBACD321負(fù)載增大eb=ebmaxVCCQecminVcm1.欠壓狀態(tài)2.臨界狀態(tài)3.過壓狀態(tài)RpVcmVcm功率放大器的負(fù)載特性

什么是負(fù)載特性呢？即VCC、VBB、vb不變時(shí)，與負(fù)載之間的關(guān)系。在其他條件不變(VCC、VBB、vb為一定)，只變化放大器的負(fù)載電阻而引起的放大器輸出電壓、輸出功率、效率的變化特性稱為負(fù)載特性。圖4.2.7三種工作狀態(tài)

vc、ic隨負(fù)載變化的波形如圖所示，放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為Vbemax，在負(fù)載電阻RP由小至大變化時(shí)，負(fù)載線的斜率由大變小，如圖中123。不同的負(fù)載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所得的ic波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。2.諧振功率放大器的三種工作狀態(tài)①欠壓狀態(tài)B點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。②臨界狀態(tài)負(fù)載線和ebmax正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。③過壓狀態(tài)放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。圖4.2.7三種工作狀態(tài)icic321Im0180°＜90°半導(dǎo)通角wtBACD321負(fù)載增大eb=ebmaxVCCQecminVcm1.欠壓狀態(tài)2.臨界狀態(tài)3.過壓狀態(tài)RpVcmVcm3)臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，動(dòng)態(tài)范圍剛好碰到飽和臨界線。2)過壓工作狀態(tài)：動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū)，集電極電流出現(xiàn)凹陷，交流輸出電壓較高且變化不大。1)欠壓工作狀態(tài)：動(dòng)態(tài)范圍在飽和臨界線的右方，交流輸出電壓較低且變化較大。根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線負(fù)載特性曲線

欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負(fù)載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。欠壓過壓0臨界Ic1Ic0VCRp0hcP=PoPc欠壓過壓臨界Rp欠壓過壓0臨界Ic1Ic0VCRp0hcP=PoPc欠壓過壓臨界Rp過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時(shí)，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機(jī)的中間級(jí)、集電極調(diào)幅級(jí)常采用這種狀態(tài)。負(fù)載特性曲線

臨界狀態(tài)的特點(diǎn)是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)，發(fā)射機(jī)的末級(jí)常設(shè)計(jì)成這種狀態(tài)，在計(jì)算諧振功率放大器時(shí)，也常以此狀態(tài)為例。負(fù)載特性曲線掌握負(fù)載特性，對(duì)分析集電極調(diào)幅電路、基極調(diào)幅電路的工作原理，對(duì)實(shí)際調(diào)整諧振功率放大器的工作狀態(tài)和指標(biāo)是很有幫助的。欠壓過壓0臨界Ic1Ic0VCRp0hcP=PoPc欠壓過壓臨界Rp3.

Rp、Vcc、Ubm、UBB變化對(duì)工作狀態(tài)的影響調(diào)整欠壓、臨界、過壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負(fù)載Rp；改變供電電壓VCC；改變偏壓VBB；改變激勵(lì)Vb。(1)改變Rp，但Vb、VCC、VBB不變當(dāng)負(fù)載電阻Rp由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時(shí)輸出功率最大。(2)改變VCC，但Rp、Vb、VBB不變當(dāng)集電極供電電壓VCC由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。Rp變化時(shí)對(duì)工作狀態(tài)的影響：

RP由小變大，動(dòng)態(tài)線斜率由大變小，即變平坦。放大器由欠壓區(qū)進(jìn)入過壓區(qū)。輸出電壓逐漸變大，脈沖電流幅度降低，并出現(xiàn)凹陷。所以，輸出功率是由小到大后，又由大變小，在臨界狀態(tài)時(shí)最大。欠壓過壓臨界ic1ic2ic3ic4ic5icebecVCC5VCC3VCC1VC1VC2VC3VC4VC5欠壓臨界過壓VCC變化時(shí)對(duì)工作狀態(tài)的影響在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨VCC變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電流波形出現(xiàn)凹陷，振幅隨VCC的減小而下降，故輸出電壓也隨之下降。VCC變化時(shí)對(duì)工作狀態(tài)的影響：

VCC由小變大，負(fù)載線向右平移，狀態(tài)由過壓進(jìn)入欠壓，在過壓區(qū)中輸出電壓隨VCC改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)；因?yàn)樵诩姌O調(diào)幅電路中是依靠改變VCC來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅過程的。改變VCC時(shí)，其工作狀態(tài)和電流、功率的變化如上圖所示。00(a)(b)欠壓狀態(tài)過壓狀態(tài)VCC欠壓狀態(tài)過壓狀態(tài)VCCIc0Icm1PoP=Pc(3)Vbm變化，但VCC、(-VBB)、Rp不變或(-VBB)變化，但VCC、Vb、Rp不變這兩種情況所引起放大器工作狀態(tài)的變化是相同的。因?yàn)闊o論是Vbm還是VBB的變化，其結(jié)果都是引起uBE的變化。由uBE=-VBB+Vbmcost

uBEmax=-VBB+Vbm當(dāng)(-VBB)或Vbm由小到大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。Vbm變化時(shí)電流、功率的變化(a)過壓狀態(tài)欠壓狀態(tài)VbmIC0OIcm1(b)過壓狀態(tài)欠壓狀態(tài)VbmPoOP=Pcip諧振功率放大器的工作狀態(tài)調(diào)整：00(a)(b)欠壓狀態(tài)過壓狀態(tài)VCC欠壓狀態(tài)過壓狀態(tài)VCCIc0Icm1PoP=Pc思考題：已知諧振功率放大器工作在過壓狀態(tài)，欲將它調(diào)整到臨界狀態(tài)，應(yīng)改變那些參數(shù)？不同的調(diào)整方法所得到的輸出功率是否相同？1.導(dǎo)通角c的調(diào)整由若保持Vb不變?cè)黾悠珘海╒BB絕對(duì)值變小）；或保持VBB不變?cè)龃蠹?lì)電壓振幅Vb；或同時(shí)增大VBB和Vb，這三種情況均可使導(dǎo)通角c增大，若相反，則可使c減小。轉(zhuǎn)移特性icVBZo理想化icmaxicwto+qc–qco+qc–qcVbmVbmebvc–VBBwt但是采取上述三種方法中的任一個(gè)方法，當(dāng)c增大時(shí)，ic脈沖電流的振幅Im和輸出功率Po會(huì)增大，而當(dāng)c減小時(shí)，Im和Po均將減小。有時(shí)希望增大c，但要保持Im不變，則應(yīng)在增加VBB（增大偏壓）的同時(shí)，適當(dāng)減小激勵(lì)Vb。2、諧振功率放大器的計(jì)算諧振功率放大器的主要指標(biāo)是功率和效率。以臨界狀態(tài)為例：1)首先要求得集電極電流脈沖的兩個(gè)主要參量icmax和c導(dǎo)通角c集電極電流脈沖幅值Icm2)電流余弦脈沖的各諧波分量系數(shù)0(c)、1(c)、…、n(c)可查表求得，并求得個(gè)分量的實(shí)際值。3)諧振功率放大器的功率和效率直流功率：PDC=Ic0VCC交流輸出功率：集電極效率：4)根據(jù)可求得最佳負(fù)載電阻：在臨界工作時(shí)，接近于1，作為工作估算，可設(shè)定=1?！白罴选钡暮x在于采用這一負(fù)載值時(shí)，調(diào)諧功率放大器的效率較高，輸出功率較大。

可以證明，放大器所要求的最佳負(fù)載是隨導(dǎo)通角c改變而變化的。c小，則Rp大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳負(fù)載電阻值。

在實(shí)際電路中，放大器所要求的最佳電阻需要通過匹配網(wǎng)絡(luò)和終端負(fù)載(如天線等)相匹配。3.臨界狀態(tài)的計(jì)算公式當(dāng)ωt=0時(shí)，uce=ucemin,uBE=uBEmax因此，icmax=Scrucemaxucemax=icmax/Scr集電極電壓利用系數(shù)ξ=Ucm/Vcc=(Vcc-ucemin)/VCC=1-(ucemin/Vcc)=1-(icmax/ScrVcc)由于PO=1/2UcmIc1m=0.5ξVccIcmaxa1(θ)所以Icmax=2Po/ξVcca1(θ)因此，有ξ=1/2+（1/4-2Po/Vcc2Scra1(θ)）1/2

4.晶體管功率放大器的高頻效應(yīng)一、概述

用折線法分析高頻功率放大器時(shí)要引入相當(dāng)?shù)恼`差，低頻時(shí)誤差還是允許的。但隨著工作頻率的提高，由于晶體管的高頻特性及大信號(hào)的注入效應(yīng)而引入的誤差將更大，嚴(yán)重時(shí)，使放大器無法工作。

一方面應(yīng)該考慮晶體管基區(qū)少數(shù)載流子的渡越時(shí)間、晶體管的體電阻(特別是rbb的影響)。飽和壓降及引線電感等因素的影響；另一方面，功率放大管基本工作在大信號(hào)，即大注入條件下，必須考慮大注入所引起的基極電流和飽和壓降增加的影響。上述的這些影響都會(huì)使放大器的功率增益、最大輸出功率及效率的急驟下降。二、基區(qū)渡越時(shí)間的影響

在高頻小信號(hào)工作時(shí)，渡越角是以擴(kuò)散電容的形式來表示基區(qū)渡越時(shí)間的影響的，由于信號(hào)的幅度小結(jié)電容可等效成線性的。而在大信號(hào)高頻工作時(shí)，必須考慮其非線性特性。

高頻情況下功放管

各電極電流波形為什么發(fā)射極電流出現(xiàn)負(fù)脈沖呢？這是由于少數(shù)載流子在基區(qū)渡越時(shí)間所引起（基區(qū)內(nèi)的空間電荷儲(chǔ)存效應(yīng)）。1、當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓由正變負(fù)時(shí)，基區(qū)內(nèi)的非平衡少數(shù)載流子來不及擴(kuò)散到集電極，又重新推斥回發(fā)射極，形成負(fù)脈沖。同時(shí)頻率升高后，增加了通過發(fā)射結(jié)電容的電流，使基極電阻上的電壓降增加，因而結(jié)電壓下降，也使主脈沖的高度降低.正脈沖的通角與頻率無關(guān)，負(fù)脈沖的通角為。2、集電極電流峰值點(diǎn)落后于發(fā)射極電流脈沖峰值點(diǎn)的角度0

，這是由于發(fā)射極到集電極的渡越時(shí)間引起的。直到渡越結(jié)束，集電極電流才下降到零。在工作頻率很高，渡越角在0=10~20時(shí)。發(fā)射極電流ie

隨著工作頻率提高，存貯在基區(qū)中的載流子由于輸入信號(hào)vb迅速向負(fù)極性變化而返回發(fā)射極，因而ie出現(xiàn)反向脈沖，管子的導(dǎo)通角加大，工作頻率越高,ie

反向脈沖的寬度就越大，幅值也越高，導(dǎo)通角也越擴(kuò)展。(2)集電極電流ic

峰值滯后于Ie的峰值二者差一渡越角0，ic導(dǎo)通角也由低頻時(shí)的c增大到c+20，峰值下降。高頻情況下功放管各電極電流波形wt0qcwt0(wt0=10°~20°)ibicie2wt0(3)基極電流ib由于ie出現(xiàn)反向脈沖，根據(jù)ib=ie–ic，所以ib也出現(xiàn)反向電流脈沖，渡越角增大，負(fù)脈沖也增大，使平均值電流（直流）減小，平均值甚至變負(fù)。同時(shí)正脈沖幅度增大，使基波電流增大。

1、ic的導(dǎo)通角加大，將使電壓增益下降，使功率管的效率大大